李泉洲，石高峰，崔建軍

(1 長安大學(xué)，西安 710054；2 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司黑龍江分公司，哈爾濱 150001）

無人機測繪遙感

李泉洲1，石高峰2，崔建軍1

(1 長安大學(xué)，西安 710054；2 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司黑龍江分公司，哈爾濱 150001）

本文闡述了無人機發(fā)展歷程和我國無人機應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀，論述無人機在遙感測繪領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，描述無人機遙感在移動通信和電力行業(yè)的應(yīng)用。無人機數(shù)據(jù)處理方法及其傳感器的搭載是無人機遙感測繪技術(shù)的未來研究熱點與研究方向，提出了無人機技術(shù)在測繪遙感領(lǐng)域的應(yīng)用問題。

無人機；無人機遙感；測繪

無人機技術(shù)自其出現(xiàn)以來，由于其簡單、方便、快捷的優(yōu)勢，一直是人們關(guān)注的熱點。經(jīng)過多年發(fā)展，特別是在其飛行控制、硬件集成等方面取得的不斷進(jìn)步后，現(xiàn)在越來越多的應(yīng)用于各個行業(yè)當(dāng)中。從無人機的歷史發(fā)展來看，其最初1917年，皮特·庫柏（Peter Cooper）和埃爾默·A·斯佩里（Elmer A. Sperry）發(fā)明了第一臺自動陀螺穩(wěn)定器開始，即標(biāo)志著無人機飛行的可能，從那之后的無人機一直是作為軍事裝備用于打擊目標(biāo)和進(jìn)行偵查。例如美國“捕食者”攻擊無人機，可輕松的執(zhí)行火力偵查；以及著名的“全球鷹”系列高空偵查無人機，由于其42 h的續(xù)航時間，以及25 000 km的航程，可以直接對需要的地區(qū)進(jìn)行精密的戰(zhàn)場控制；還有先進(jìn)的“渡鴉”手拋式無人機，以方便攜帶，巡航0噪音的特點，可直接用于前線偵查。

我國近些年來也不斷的發(fā)展無人機技術(shù)，特別是低空無人機的相關(guān)技術(shù)。其中“彩虹”系列手拋式無人機已經(jīng)應(yīng)用于各類軍事演習(xí)與測試當(dāng)中，具有方便、輕巧、偵查能力強等優(yōu)點。另外，在商業(yè)應(yīng)用方面，也出現(xiàn)了大量的無人機農(nóng)業(yè)撒藥、無人機交通檢查、無人機快遞等方式的應(yīng)用。綜合而言，目前的無人機技術(shù)作為飛行載具已經(jīng)進(jìn)入了較為成熟的階段，能夠為各行各業(yè)提供較為穩(wěn)定的飛行平臺，從而進(jìn)行多方面的應(yīng)用。

1 無人機遙感的優(yōu)勢

近些年來，隨著我國無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，使低空無人機技術(shù)越來越成熟，特別是使其成本的降低，能夠達(dá)到低廉的價格，從而打開了無人機在各行各業(yè)的多種應(yīng)用。其中，使用無人機進(jìn)行航測遙感，成為了新的熱點與技術(shù)。而這種技術(shù)手段，由于其獨特的優(yōu)勢，也為測繪遙感學(xué)科注入了新的活力。

1.1 飛行規(guī)劃與數(shù)據(jù)獲取簡單

無人機最大的特點在于其飛行準(zhǔn)備簡單，飛行控制容易，并且其飛行速度較低，具有非常強大的航道編輯能力，從起飛到降落，都具有非常便利的優(yōu)勢。因此，利用這種優(yōu)勢，無人機測繪遙感能夠獲得自動化的飛行規(guī)劃與飛行攝影，減少了大量的人工工作量。同時，無人機飛行平臺起飛降落非常容易，使無人機測繪能夠適應(yīng)多種地形和區(qū)域的測繪任務(wù)與需求。另外，在無人機獲取影像過程中，地面人員基本不需要進(jìn)行太多干預(yù)，真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)獲取的自動化與智能化。特別是用于進(jìn)行應(yīng)急測繪，無人機能夠以最快速度進(jìn)行相關(guān)詳細(xì)測繪，從而為后續(xù)的工作提供指導(dǎo)與規(guī)劃。

1.2 低空遙感觀測

傳統(tǒng)的遙感對地觀測手段主要有衛(wèi)星遙感觀測、飛機航飛遙感、地面測量車等方式，從高到低依次分布，形成了比較全面的觀測網(wǎng)與觀測體系。然而，這些數(shù)據(jù)獲取方式，對于城市內(nèi)部建筑的觀測能力確略顯不足，雖然飛機也可以進(jìn)行低空飛行，然而傳統(tǒng)航攝飛機進(jìn)行一次航拍的流程非常復(fù)雜，飛行申請與規(guī)劃難以滿足城市觀測的需求。而無人機的出現(xiàn)，極大地改善了這種尷尬的局面。無人機可以快速方便的對城市內(nèi)部進(jìn)行低空測繪，不需要進(jìn)行特別的飛行管制，而且飛行高度也可以隨工程應(yīng)用需要來進(jìn)行制定，從而非常有效的進(jìn)行城市觀測，用于城市規(guī)劃建設(shè)、違規(guī)建筑監(jiān)察、交通管理等多個方面。特別是低空飛行測繪過程中，可以有效的規(guī)避云層對遙感的影響，具有十分重要的應(yīng)用價值與意義。

1.3 多角度觀測能力

無人機除了普通單相機的遙感測繪以外，還可以搭載計算機視覺領(lǐng)域常運用的多角度觀測系統(tǒng)，從而針對地面進(jìn)行多個角度的觀察與測繪。這種多角度觀測方式，結(jié)合無人機低空飛行帶來的詳盡地面觀測能力，能夠給測繪人員帶來全角度多方面的信息。尤其是在城鎮(zhèn)建筑較多的地區(qū)，傳統(tǒng)測繪手段由于視角的關(guān)系，總有無法觀測到的角度，而無人機方便靈巧的飛行方式，搭配多角度傾斜攝影的地面觀察，可以保證對地面細(xì)節(jié)進(jìn)行多方位的全面認(rèn)知。例如房屋側(cè)面的紋理、建筑結(jié)構(gòu)，以及其它一些傳統(tǒng)遙感手段難以觀測到的角落，從而擴(kuò)展測繪遙感的數(shù)據(jù)來源，有效提高測繪產(chǎn)品的精度與實用性。

2 無人機遙感的應(yīng)用

憑借無人機的優(yōu)勢，無人機遙感在移動通信和電力領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

2.1 無人機在移動通信行業(yè)的應(yīng)用

無人機遙感巡檢系統(tǒng)是集航空、通信、圖像識別、遙感、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等多個高尖端技術(shù)于一體的復(fù)雜巡檢系統(tǒng)，由于低空無人機體積小、成本低、實時性和靈活高效，可以輕松的翻越高山、跨越大江大河。操控?zé)o人機能夠從多個角度對低空物體進(jìn)行細(xì)致入微的觀測。使用無人機實現(xiàn)對通信基站和天線的日常安全巡檢，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力巡檢，能夠減少人力在巡檢過程中可能發(fā)生的危險，降低企業(yè)的財產(chǎn)損失。其次，野外環(huán)境復(fù)雜，許多區(qū)域查勘人員無法抵達(dá)，無人機遙感充分結(jié)合飛行器控制技術(shù)、遙感技術(shù)、GPS技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)。通過飛行器控制設(shè)備控制無人機攜帶影像傳感器抵達(dá)勘察區(qū)域，攝像設(shè)備自動控制攝像功能獲取高分辨率傾斜攝影影像，GPS技術(shù)實時監(jiān)控?zé)o人機位置，地理信息系統(tǒng)技術(shù)動態(tài)的可視化無人機位置信息。地面工作人員僅需要控制無人機的方位，利用傾斜攝影測量后處理軟件處理影像數(shù)據(jù)就可以獲取勘察區(qū)域周圍精確詳細(xì)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，為基站建設(shè)提供可靠的地理信息數(shù)據(jù)。此外，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試只能在地面進(jìn)行，無人機可以搭載網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試設(shè)備在基站周邊不同位置高度進(jìn)行通信信號的測試，突破了高度的限制，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員能夠獲取詳細(xì)的測試數(shù)據(jù)，優(yōu)化基站網(wǎng)絡(luò)通信信號，使信號覆蓋區(qū)域網(wǎng)絡(luò)更加通暢。

2.2 無人機在電力行業(yè)的應(yīng)用

我國國土面積廣袤，各等級輸電網(wǎng)遍布全國。目前，我國的電力系統(tǒng)工程存在工程建設(shè)周期短、路徑有限等特點，在建設(shè)各等級電網(wǎng)，特別是在輸電線路前期規(guī)劃和輸電線塔址選擇階段，需要充分了解施工區(qū)域的地理環(huán)境信息，傳統(tǒng)的航空攝影測量具有成本高、對天氣要求苛刻、航空審批手續(xù)復(fù)雜等特點，不適應(yīng)當(dāng)前電力系統(tǒng)工程建設(shè)的需要。相比之下，無人機傾斜攝影測量具有受天氣影響小、全天候低空觀測、操作簡單、能夠獲得高重疊度和高精度的影像等特點，這些優(yōu)勢使無人機能很好的克服傳統(tǒng)攝影測量的弊端。能夠快速的對輸電線路建設(shè)周邊區(qū)域?qū)嵤﹥A斜攝影測量工作，以獲取大比例的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)如正射影像、數(shù)字高程模型等。在對測區(qū)進(jìn)行無人機攝影測量作業(yè)之前，需要做好確定待測區(qū)域范圍、設(shè)計無人機的飛行航帶、建立區(qū)域控制網(wǎng)等工作，以保證數(shù)據(jù)成果的精度。通過攝影測量和計算機視覺的單目多角度觀察理論，對傾斜影像進(jìn)行影像自動匹配，空中三角測量，三維密集點云運算，對影像進(jìn)行分析與解算，并根據(jù)地面控制點提供的空間參考，最終實現(xiàn)對地面的完整三維解算，得到各類測繪成果。利用無人機遙感對規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行攝影測量，不僅可以快速高效的獲得數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的時效性，同時大幅降低了人工成本、減輕了工作人員室外勞動強度和對環(huán)境的破壞程度，為輸電線路走廊規(guī)劃、站址決策提供詳盡數(shù)據(jù)，優(yōu)化輸電線路路徑，使區(qū)域規(guī)劃和電路走向更加合理。具體從以下兩個方面進(jìn)行說明。

2.2.1 無人機電力路線設(shè)計

電力線路設(shè)計就是遵照相關(guān)的設(shè)計原則設(shè)計出一條最優(yōu)的電力輸電線路，按照要求，設(shè)計一條合格的電力輸電線路需要詳細(xì)了解區(qū)域內(nèi)的地理環(huán)境信息。傳統(tǒng)的測量方法完成此項任務(wù)費時費力，然而無人機傾斜攝影卻能夠輕松勝任這項任務(wù)，輔助電力線路規(guī)劃。傳統(tǒng)的電力輸電線路設(shè)計原則要求路線盡可能是直線，線路兩側(cè)的一定范圍內(nèi)不能有建筑物，輸電線塔架設(shè)處的地質(zhì)符合建設(shè)條件，避開一些貯存有易燃易爆的地區(qū)如加氣站、加油站等。傳統(tǒng)設(shè)計方法是設(shè)計人員先在現(xiàn)有的中小比例尺地形圖上進(jìn)行粗略的設(shè)計輸電線路然后實地踏勘，不符合要求就修改重新設(shè)計線路，直到電力線路符合設(shè)計原則。傳統(tǒng)的電力線路設(shè)計方法存在依賴的地理信息數(shù)據(jù)陳舊，不能很好的反映當(dāng)前地形地貌，實地外業(yè)踏勘工作量大，航空影像獲取困難等弊端。然而，無人機傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)分辨率高，能輕易辨別道路、房屋、河流、特殊設(shè)施建筑等大量地貌信息，提供了豐富的現(xiàn)勢地物信息，可肉眼判別地質(zhì)條件是否滿足輸電線塔施工要求。從而保證了設(shè)計線路的合理性和穩(wěn)點性，不至于要反復(fù)修改設(shè)計線路，減少了設(shè)計成本和野外勘察工作量。此外，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取的正射影像和數(shù)字高程模型與設(shè)計人員的設(shè)計輸電線路方案相疊加，三維仿真模擬電力輸電線路，直接三維可視化設(shè)計線路，可為后期的輸電線路管理工作做準(zhǔn)備。通過正確的方法將無人機傾斜攝影測量技術(shù)運用到電力線路設(shè)計工作中，其效果明顯強于傳統(tǒng)設(shè)計方法。

2.2.2 無人機電力線路巡檢

為了保證電力輸電線路的安全運營，電力部門對電力輸電線路進(jìn)行定期巡檢就顯得尤為重要。電力路線巡檢是指對輸電通道、塔桿和輸電部件巡檢，及時發(fā)現(xiàn)輸電設(shè)備存在的安全隱患。傳統(tǒng)的巡檢工作主要依靠人工，野外工作環(huán)境惡劣而且勞動強度大，效率低。在懸崖、沼澤等危險地區(qū)，巡視人員的生命安全受到威脅，當(dāng)發(fā)生地震、滑坡、水災(zāi)等自然災(zāi)害時，巡視人員便無法開展巡視工作。與其它電路巡檢方式相比，無人機飛行空域低，沒有空中管制的限制，不受氣候、地理環(huán)境的影響，操作簡單，容易掌握，可不間斷工作等特點，因此，無人機低空巡檢可以能很好的解決這些問題。無人機線路巡檢主要有兩種應(yīng)用模式，一是將攝像機掛載在無人機吊艙內(nèi)，僅一人操作無人機，事后觀看錄像帶查看輸電線路狀況；二是實時的和無人機飛機數(shù)據(jù)通信，將拍攝的實時畫面?zhèn)鬏數(shù)降孛姹O(jiān)視屏上，一人操控?zé)o人機，一人監(jiān)看視頻，兩人相互配合完成對線路的巡檢工作，若發(fā)現(xiàn)可疑的特征就控制無人機懸停觀察，仔細(xì)檢查輸電設(shè)備，排查存在的安全隱患。此外，無人機還可搭載不同成像設(shè)備對輸電部件進(jìn)行觀測，如搭載紅外熱成像儀可檢測部件溫度是否升高。無人機巡線減輕工人的巡線工作強度，降低企業(yè)輸電線路維護(hù)運行成本，無人機優(yōu)越的性能使之成為電力線路巡檢中高效的工具， 無人機巡線檢查將會是一種高效、大有前途的巡檢方式。

3 無人機遙感的未來發(fā)展

然而，由于剛剛興起，而目前的無人機遙感測繪技術(shù)依然有很多缺陷與不足，影響了其進(jìn)一步的應(yīng)用，為廣大的學(xué)者提出了新的挑戰(zhàn)。

3.1 無人機數(shù)據(jù)處理方法研究

由于低空無人機飛行高度較低，因此其數(shù)據(jù)表現(xiàn)出超高的地面分辨能力，這種分辨力下，對地面的觀測會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量非常客觀。同時，由于傾斜攝影和多角度成像的原因，給無人機低空飛行遙感的數(shù)據(jù)處理方法帶來了困難，影像之間傾角大、重疊度不規(guī)律、影像數(shù)據(jù)量巨大這些特點導(dǎo)致傳統(tǒng)測繪方法對其進(jìn)行處理時會出現(xiàn)多種問題，難以為繼。因此，如何有效的對無人機遙感測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，是時下極為火熱的研究方向與研究熱點。

3.2 無人機其它傳感器的搭載

目前無人機由于飛行平臺的載重能力的限制，以及起飛降落方式的影響，一些精密的測繪傳感器尚無法進(jìn)行搭載成像，例如高光譜成像光譜儀、激光雷達(dá)等。導(dǎo)致目前的無人機影像數(shù)據(jù)信息較為單一，缺乏多光譜的識別能力，很多遙感機理的對地觀測分析方法都無法使用，令人遺憾。而隨著無人機飛行平臺的不斷完善，將一些遙感對地觀測非常重要的傳感器進(jìn)行搭載，從而進(jìn)行低空探測與觀察，必然能夠進(jìn)一步的實現(xiàn)對地面的精細(xì)化認(rèn)知，這也是無人機遙感的另一個重要發(fā)展方向。

4 結(jié)語

目前的無人機飛行平臺已經(jīng)具有相對完善和成熟的技術(shù)，而將其應(yīng)用在遙感、測繪當(dāng)中，還有許多需要研究與分析的技術(shù)與方法。怎樣合理的發(fā)揮無人機測繪遙感的優(yōu)勢與特點，是廣大測繪工作者需要認(rèn)真思考的問題。

[1] 王博申, 周安宏, 喻威,等. 無人機在通信勘察領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J]. 中國新通信, 2015, 17(19).

[2] 張朝陽. 無人機在移動行業(yè)的應(yīng)用[J]. 電信技術(shù), 2016, 8(11).

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Overview of UAV surveying and mapping remote sensing

LI Quan-zhou1, SHI Gao-feng2, CUI Jian-jun1
(1 Chang'an University, Xi'an 710054, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Heilongjiang Branch, Harbin 150001, China)

This paper describes the development of UAV and the application of UAV technology in China, discusses the application advantages of UAV in remote sensing surveying and mapping, describes the application of UAV remote sensing in the mobile communications and power industries. UAV equipped with sensors and data processing method is the UAV remote sensing research focus and future research directions. The applied trouble of UAV technology in mapping and remote sensing is put forward.

unmanned aerial vehicle; UAV remote sensing; mapping

P237

A

1008-5599（2017）04-0014-04

2017-03-18